辨别井下高压电缆绝缘具体损坏相的装置的制作方法

1.本发明属于电力电子领域，涉及一种辨别井下高压电缆绝缘具体损坏相的装置，用于测量井下高压电缆绝缘电阻值降低后具体损坏相，在油井合理开采和维修上提供重要技术数据参考。


背景技术：

2.近几十年国内油田开采领域里原油深层开采大部分依靠钻井潜油电泵，潜油电泵电机多为三相异步交流电机，驱动是依靠三相高压电缆送电，电缆通常分为3芯圆电缆和3芯扁平电缆，以中海油渤海作业区为例，电缆长度通常在0.8千米到3千米之间，供电模式是以工频和变频为主，无论哪种模式，大多数电压等级都会在1kv以上，在这些苛刻使用条件下，电缆的绝缘程度就尤为重要，实际生产操作中三相电缆在下井作业和生产作业过程中往往会出现绝缘电阻值下降，当绝缘电阻值下降到一定程度，通常在绝缘电阻值小于5mω时就可能对井下电机造成影响，进而影响采油。目前电缆绝缘电阻值是通过两种方式来测量：1，在电缆不接入高压时，采用绝缘摇表（机械类型或电子类型）测量三相高压电缆绝缘电阻合成值，这里的合成值代表的是：油田现场下井作业完成后，三相电缆与井下电泵的电机是星型接法，所以测出来的电阻值是合成值。油田现场开采作业过程当中，当油井采油时没有特殊情况是不能停止开采的，不能切断高压电源，这样目前测试手段绝缘摇表（机械类型或电子类型）不能测试电缆动态绝缘电阻值。2，目前电缆动态绝缘电阻值可以采用绝缘电阻在线监测仪测量，但是当高压电缆绝缘电阻值降低后，绝缘电阻值降低是哪一相损坏造成目前是无法定位的。实际油田开采时，一托一模式（渤海油田多采用此模式）如果可以确定高压电缆绝缘电阻值降低后具体的损坏相，就可以在维修时，配合定位有针对性的维修或更换电缆，对于一拖多的油井模式（例如胜利油田多采用此模式）就可以通过井上调整线缆的相序，来规避不同相电缆绝缘值下降造成短路，而引发线缆烧毁，变压器损坏，及停井的风险。实际油田开采过程中，油井每小时的产能经济价值很高，维修的人力，物力费用也是非常昂贵。
3.海上油井平台目前有部分是无人平台，陆地油田（例如新疆塔里木油田）很多油井都很分散，这样巡视，检修及时程度都相对不足，针对这些特点的油田开采，这种辨别井下高压电缆绝缘电阻值降低后具体损坏相的装置就尤为重要。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的问题在于，克服现有技术的不足，提供一种辨别井下高压电缆绝缘具体损坏相的装置，当绝缘电阻值下降到一定程度：通常小于5mω时，可以辨别出造成绝缘电阻值下降的是三相高压电缆中的哪根单相，或哪种组合双相。
5.本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：依据本发明提供的一种辨别井下高压电缆绝缘具体损坏相的装置，包括基准电阻r2、采样电阻r1、三相采样变压器t7、分析模块和cpu模块电路，所述的三相采样变压器t7的
原边输入端串联接入三相高压电缆，三相采样变压器t7的原边中性线与基准电阻r2和采样电阻r1串联；三相采样变压器t7的副边与分析模块串联，分析模块与采样电阻r1并联，分析模块通过数据线连接cpu模块电路。
6.本发明解决其技术问题是采取以下技术方案进一步实现：前述的三相采样变压器t7采用3600v/100v的ynyn模式，变压器原边星型接法有中点抽头，变压器副边星型接法有中点抽头，原边电压信号与副边电压信号的相位一致程度达到90%以上，副边输出阻抗占总采样阻抗2%以下。
7.前述的分析模块采用12位采样精度，采样频率400khz-500khz,运用运算放大器的跟随器去除前级信号干扰。
8.本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果：当井下高压电缆绝缘电阻值下降到一定时：通常选取高压电缆绝缘电阻值5mω以下时，本装置就可以在一定范围内检测出三相电缆中的具体损坏相：单相情况时辨别出（例如a相，或b相，或c相），双相情况时辨别出（例如ab相，或ac相，或bc相）。我们现有手段的测量值大多数都是电缆绝缘电阻值的在交流电压下漏电流矢量和的倒数。此发明可以通过模型反推算法，得出漏电流矢量和的分解值，这样就可以在一定程度上辨别出电缆的绝缘损坏相，就可以在井上进行有针对的调整和维修。
9.本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
10.图1为本发明的电路原理图；图2为本发明三相采样变压器t7电气结构图;图3为本发明辨别电缆损坏相的数学模型图;图4为本发明的电缆分布电容模型分析图。
具体实施方式
11.以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
12.如图1所示的一种辨别井下高压电缆绝缘具体损坏相的装置，包括基准电阻r2、采样电阻r1、三相采样变压器t7、分析模块和cpu模块电路，所述的三相采样变压器t7的原边输入端串联接入三相高压电缆，三相采样变压器t7的原边中性线与基准电阻r2和采样电阻r1串联；三相采样变压器t7的副边与分析模块串联，分析模块与采样电阻r1并联，分析模块通过数据线连接cpu模块电路。分析模块采用12位采样精度，采样频率400khz-500khz,运用运算放大器的跟随器去除前级信号干扰。
13.如图2所示，三相采样变压器t7采用3600v/100v的ynyn模式，变压器原边星型接法有中点抽头，变压器副边星型接法有中点抽头，原边电压信号与副边电压信号的相位一致程度达到90%以上，副边输出阻抗占总采样阻抗2%以下，一次绕组的首端用a、b、c表示 ；末端用x 、y、z；二次绕组的首端用a、b、c表示，末端用x、y、z表 示。星形接法中点引出中线，一次绕组、二次绕组的接法组合：ynyn其中大写字母表示高压绕组接法,小写字母表示低压绕组接法,字母n、n是星形接法的中心点引出标志,三相采样变压器t7采用ynyn模式。
14.根据图2已知三相采样变压器t7的连接标号，画出ynyn的相量图及绕组的联结图数学模型，如图3所示。
15.数学建模步骤：1、确定高压绕组和低压绕组线电压（或相电压）的相位差：根据ynyn可知，该三相采样变压器t7的高压绕组和低压绕组为星型联接，且高压绕组、低压绕组的线电压时差为0，即高压绕组、低压绕组的线电压（或相电压）同相。
16.2、建模出高压绕组、低压绕组的相量图：以高压绕组线电压uab为基准，低压绕组线电压uab落后于线电压uab的角度，即为其点数（建模时，应注意高压绕组、低压绕组所对应的各线电压或相电压的夹角应是相等的（00），即ua落后ua 0个点（00）, ub落后ub 0个点（00）, uc落后uc 0个点（00）,如果不等，说明建模错了）。对于ynyn连结方式，由于高压绕组和低压绕组对应的线电压相位差与高压绕组和低压绕组对应的相电压的相位差相同，所以，用高压绕组相电压ua为基准，低压绕组相电压ua落后于高压绕组相电压ua的角度，即为其点数画出相量图的方法更为简单。
17.标出线电压和相电压的方向：uab箭头方向为b到a；uab箭头方向为 b到a。绕组ax箭头的方向指向a端,绕组ax箭头的方向指向a端。
18.3、根据相量图，画出高、低压绕组联结图，标上相电压的方向及同名端。
19.根据高、低压绕组的相量图可知，低压绕组ax相电压落后高压绕组ax 0个点（00），且与高压绕组ax绕在同一磁柱上，绕组绕向相同（相量图上ua与ua在同一直线上，且方向相同），即a、a为同名端。同理，低压绕组by、cz的分析方法与ax绕组相同。
20.4，当绝缘电阻在线监测仪的采样电阻上计算的阻值小于5mω时，分析模块比较数学模型和采样信号，此时绝缘电阻在线监测仪分辨出单相绝缘下降或是多相绝缘下降。
21.5，如果是单相电缆的绝缘下降：比较采样信号在圆函数模型中落点如与模型图3中向量ua、向量ub、向量uc的任一向量重合（重合偏移角度在+-15
°
之内可视为重合，不影响结果判断，这项参数是多组设备测试数据得出），如果落点在向量ua附近，大概率定位为a相电缆绝缘下降；如果落点在向量ub附近，大概率定位为b相电缆绝缘下降；如果落点在向量uc附近，大概率定位为c相电缆绝缘下降。
22.6，如果是两相电缆的绝缘下降，比较采样信号在圆函数模型落点，如果落点在模型图3中向量uab之间，大概率是ab两相绝缘下降，如果落点在向量uac之间，大概率是ac两相绝缘下降，如果落点在向量ubc之间，大概率是bc两相绝缘下降。
23.如图4所示，理论中长电缆a相,b相,c相与电缆外铠皮存在分布电容c1、电容c2、电容c3,分辨电容会影响交流漏电信号的相位，拓扑三相电缆中3根导线与外铠皮是分布电容的两级，属于y星等效接法，任一时刻，总是有一相电流做为回路，这样分布电容的漏电流在y型电路中完成了闭环回路，根据kcl方程，:∑i=0理论上就不会有分支电流叠加到采样的电路中，这样电缆上分布电容对本装置辨别效果的影响就可以忽略不记。